微生物學虛擬仿真實驗教學模式初構

王思宇 徐建國 張麗紅 胡青平

摘 要：隨著信息技術的發展，虛擬仿真試驗在實驗教學中越來越受到歡迎。文章通過對傳統微生物學實驗教學現狀分析，重點闡述了微生物學虛擬仿真實驗教學模式的構建理念、擬構建3模塊9單元的實驗教學內容、虛擬仿真實驗教學模式的幾點思考。這種虛實結合的實驗教學模式，可豐富教學手段，激發學生的學習興趣，在人才適應發展與創新時代有著不可磨滅的作用。

關鍵詞：微生物學；虛擬仿真實驗；教學模式；構建

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）22-0104-03

Abstract： With the development of information technology， virtual simulation experiments are becoming more and more popular in experimental teaching. Based on the analysis of the present situation of traditional microbiology experiment teaching， this paper mainly expounds the construction idea of virtual simulation experiment teaching mode of microbiology， the experimental teaching content of three modules and nine units， and the thinking of virtual simulation experiment teaching mode. This experimental teaching mode of combining virtual with real can enrich teaching means， stimulate students' interest in learning， and play an indelible role in adapting talents to the era of development and innovation.

Keywords： microorganism； virtual simulation experiment； teaching mode； construction

微生物學實驗技術是生物學人才必須掌握的基本技能之一，也是現代生物工程技術的重要基礎，因此，微生物學實驗課程是高等學校生物學相關專業的重要基礎實踐課程之一[1]。目前，在教學與互聯網的結合新潮中和互聯網+的新時代背景下，互聯網在實驗教學中扮演著越來越重要的角色。將互聯網融入到教學實驗中，也是時代的重要課題。國內外多所高校已將虛擬仿真實驗平臺投入到教學實驗中，并見初效。國家教育部也著眼于互聯網進課堂的新型教育模式，于2013年做出進一步建設國家級虛擬仿真實驗教學中心的部署。因此，微生物學虛擬仿真實驗教學模式的構建具有很重要的理論意義和時代意義。

一、虛擬仿真實驗平臺應用狀況

現如今虛擬實驗平臺技術的發展在教育中被大規模的應用，中國及外國的各位學者都做了許多工作。例如英國牛津大學的化學VL實驗室、美國卡內基梅隆大學的 IrYdium實驗室、德國Ruhr大學網絡虛擬實驗室等，他們共同之處在于都是具有可觀的交互性和高智能的虛擬環境。中國的很多學校都根據自己的需求建設了虛擬實驗室，例如我們可以看到的同濟大學、西南交通大學等大學開發的虛擬實驗室。還有中國科技大學的物理仿真實驗軟件等[2]。截至2015年生物類虛擬仿真實驗已開展11所。而從技術層面來看，大致有如下幾種技術與仿真實驗的一一對應。Flash——交互式仿真實驗、VRML——虛擬現實技術仿真實驗、Quicktime VR技術、Java技術——仿真實驗、Active 技術——仿真實驗等[3]。現在資料顯示使用Flash和VRML技術的產品占有大多數。這些虛擬實驗產品在多個方面意義重大，例如生物醫學、電工電子、建筑等。

虛擬仿真實驗是網絡和計算機技術所支持的虛擬實驗的機件上虛擬和重現真的實驗步驟和實驗內容的一種實驗操作，相比于傳統實驗，其有仿真性、參與性和安全性等特點[4]，可以解決傳統實驗中存在的實驗時間長、危險系數高、受制于經費和倫理學、流失已久的實驗技術、操作困難等難于實現的綜合性實驗等問題[5]。虛擬實驗相較于傳統實驗對學生有更加全面的訓練，可激發學生興趣、提高學生創新能力。但是，當下虛擬實驗平臺大部分是學校、研究所或企業開拓，試驗功能較有力度。但是如果用于教育用途或者實驗用途，平臺的針對性與專項性就不明顯，相結合的性能也不完美。也有部分研究針對課程體系和教育用途做出嘗試，但系統仍不夠全面。現在學科教學的虛擬平臺還沒有很好的整合，如學生的情感態度價值觀方面的教育以及在虛擬平臺中學生的合作方面還有許多問題值得探索。

二、傳統微生物實驗教學存在的問題

微生物學實驗教學是微生物學教學的不可缺少的環節，在微生物課程的理解和應用有著重要的地位。但是現在多數微生物實驗課程中只是現實實驗室環境中制作常見微生物的裝片，在顯微鏡下觀察細菌、真菌、放線菌等裝片很難了解微生物的豐富資源。尤其是一些由于環境條件所限制的極端微生物，甲烷古菌、耐酸微生物就是屬于此列等，受到實驗對象本身的生長周期、培養條件和時間空間等因素所限，很多內容無法展開實驗研究無法通過實驗室模擬進行[4]；再者，研究致病菌的安全性問題也不同忽視，這一類實驗操作都有較高的要求，一般微生物實驗中，涉及到此類菌株的教學均為理論，還未有條件展開實際操作；另外，還有一部分綜合設計性實驗需要各學科實驗設備的共同完成，如有些微生物生長條件特殊，會受到生長周期和環境的影響，學生沒有充足的實驗條件無法進行實驗。無法提高學生的實踐能力，對于分析及解決問題的能力也有所影響。這些導致不能滿足學生掌握新技術、學習新方法的要求，極大的影響了學生的學習興趣，動手能力，也影響了學生對科學本質的探索欲望。

三、虛擬仿真實驗教學模式的構建理念

建設好的虛擬仿真實驗平臺的前提是對平臺的遠瞻性以及對它的定位。微生物學虛擬仿真實驗的建設指導思想：“合理規劃、重點突出、資源共享、提高效益、持續發展”[3]，提高、鞏固與發展實驗具體操作條件是建設的根本目的。在試驗教學中大力進行改革，使實驗手段與教學手段都有所創新，將實際教學條件與虛擬實驗平臺結合。培養微生物學科中的高精尖人才。以基本知識為前提以仿真實驗平臺為教學手段，采用虛實結合的教學模式，真實的突出微生物學的學科特點。以實際實驗無法展開的實驗為基本內容，開展前沿實驗內容的學習。虛擬仿真實驗平臺是在以網絡為基礎、虛擬試驗教學資源為內容、平臺程序為載體，網絡資源真正達到共享。是學生隨時隨地在線學習，自主安排實驗、自主完成實驗課程[6]，這既提高教師的教學效率，也使學生的學習效率提高。互聯網推動了教師教學也推動了學生的學習能力的提高，體現了實體實驗在提高學生實踐創新能力方面的核心作用[7]。

四、虛擬仿真實驗教學模式擬構建內容

為了使傳統教學更好地發展，正值我校教學改革全面深化、校優質課程“微生物學”的全面建設和發展的時候，我們擬應用微生物學虛擬仿真實驗教學平臺，形成認識（形態觀察與鑒定）、培養（發酵條件優化與選育）和應用（功能菌篩選與功能成分提取）3個模塊、涵蓋9個主題的較為完善的實驗教學新體系，既體現了內容的循序漸進性、完整性，又使多學科得以融合和交叉[8]。本系統將為我校食品與生命科學各專業學生學習“微生物學”課程的重要學習平臺。微生物學虛擬仿真實驗教學模式的構建方案如圖1所示。

（一）微生物學的認識模塊

微生物學認識模塊的虛擬仿真試驗將建立常見微生物、極端微生物、病原微生物等的數字切片系統，將利用該中心的顯微數碼互動實驗室，結合控制與掃描軟件，把重要資源微生物的代表種類生成全視野的數字化切片庫。這些虛擬數字切片系統可以為學生提供觀察微生物大小、形態、運動特質等，還能測量微生物大小、模擬染色過程、添加瀏覽標簽等操作，更重要的是學生還可以自己添加數字切片，進行網上小組會議討論等活動，通過虛擬在線三維外觀形態特征，并借助儲存的微生物分類材料可以更全面的了解微生物的種類以及他們各自的形態特點；學生可以更深刻的理解和掌握基礎知識，提高學生的學習理解能力。為學生深入進行微生物研究打下基礎。

（二）微生物學的培養模塊

微生物培養模塊擬進行微生物生長規律的虛擬仿真試驗，具體包括繪制生長曲線、發酵條件優化和誘變育種等試驗的虛擬仿真操作系統，用計算機模擬微生物生長，學生可以真實的看見微生物生長的每個階段，提高實體觀察效果；該仿真系統中具有非常鮮活的模擬現場，具有精細的單元流程，包括對菌種展現出其重要內容，滅菌步驟、培養基的配制、無菌操作、菌落總數的測定、誘變選擇、突變株遺傳穩定性檢測等，學生可以自己設定實驗條件如溫度、PH等，在這些條件下學生可以通過改變它們來觀察實驗結果的不同，不僅快速且準確。

（三）微生物的應用模塊

微生物學分為微生物學基礎和微生物學應用兩大板塊，在微生物應用這一方向上我們也要努力結合實際。結合各方農業、畜牧業、污水處理等相關方向的科研成果，將引進產淀粉酶菌的發酵調控、白酒大曲中功能微生物篩選、生物膜法污水處理工藝等應用微生物學仿真實驗教學模塊。這些模塊模仿真實的實驗環境，將虛擬與實驗完美的結合起來，在虛擬仿真實驗平臺下進行操作，設計實驗方案，進行實驗步驟的演練。通過模擬實驗能使學生更準確的完成實驗并得到結果，避免了因實驗操作生疏使實驗失敗。更好地分析實驗結果且能培養學生得出結論的能力，誘導其創造性思維這樣可以彌補因場地、課時、師資等條件限制，突破傳統教學手段，推動微生物學實驗教學的改革。

另外，虛擬仿真實驗平臺可用來承擔安全性低但必需要開展的實驗。例如在使用滅菌鍋的時候需要格外小心，當初次使用可能會因操作不當造成安全隱患。學生可先通過虛擬仿真實驗平臺進行操作，預習怎樣安全使用試驗設備，進行操作訓練以避免發生不必要的問題。培養學生的安全意識。且在危險藥劑的處理過程中也有安全隱患，如藥品處理不當也會引起可以通過虛擬仿真實驗來進行預操作，還可以通過平臺來模擬發生實驗事故時該如何處理，提高學生的突發事故處理能力以及在實際實驗中防范的能力[6]。

五、虛擬仿真實驗教學模式的幾點思考

虛擬仿真試驗平臺作為一種新生事物，新技術的發展和應用給教育界帶來的積極推動作用是毋庸置疑的，虛擬實驗環境的真實和實驗對象的真實是對因各種條件不足而無法進行的實體實驗的有效補充。可以彌補實體實驗的一些如空間局限，成本高，環境污染等造成的問題。且學生可以根據自己的時間和興趣靈活安排實驗活動。可以培養學生自身的實踐創新能力，引導學生自主實驗，探索科學。因此，虛擬仿真實驗平臺可以改善學生對上課的積極性，很大程度上提高了發學生的汲取知識的能力。但虛擬實驗會在與現實實驗操作中有一定的差異。如果要合理有效使用虛擬仿真實驗平臺還需要思考以下幾點：

（一）關于虛擬仿真實驗教學模式的關鍵點

就虛擬實驗來說，它的重點更加偏向于學生對概念的理解、對原理的掌握、以及分析解決問題。而對規范技能的要求則不那么突出。從建構主義理論的角度來看，更加重視學生主動參與，強調學生的動手能力，使學生學會將知識與已有知識聯系起來，構建一個新的知識網絡，更好地內化知識，從而更深刻的理解與掌握。故而平臺的構建更加側重于內容的系統性和全面性。教師也要定期的維護平臺，以及實時更新平臺內容。學生更是平臺的主要成員，要學會知識與實際相結合，將操作的東西變為自己的。

（二）關于虛擬仿真平臺的管理和評價系統

虛擬仿真平臺的管理是非常重要的內容，嚴格科學有效的管理制度不僅可以建設文明的實驗環境，也可以提高實驗效率。因此，制度建設需要從各個方面進行建立。教師通過中心進行難點答疑和實驗結果批閱，學生可以通過虛擬實驗中心交流心得體會，并要求答疑和批閱制度化[10]。

虛擬仿真平臺真正運行后，評價方式分為系統評價、教師評價和學生互評。系統評價包括實驗報告系統、 作業系統、在線考試、在線論壇等[9]。老師就評價標準給出評價意見。學生根據上課內容寫出實時課堂報告，報告包括預習報告、課后作業兩部分。老師使用教學評價系統查看報告和給予評價。在一個課程完成時，系統會根據課程內容給出一套教學試卷，學生需要登陸系統完成考試并由教師給出分數。系統會按比例給出最后分數作為學生的綜合考核。

（三）基于虛擬仿真實驗教學的教師團隊的建設

虛擬仿真實驗平臺加入后，不再是單一的課件教學或者小組討論。加入網絡技術的課堂需要更高技術的專業教師團隊，才能讓虛擬仿真實驗平臺發揮最大的作用。教師在運用虛擬仿真實驗平臺時要進行專業技術的培訓。整合校內校外的優秀實驗資源和教師資源，增強教師的實驗操作水平。教師的高實驗操作水平是虛擬仿真實驗教學平臺的基礎。學科帶頭教師常在各教學組展開學術討論，邀請校內外的知名專家開設學術講座，帶動整個教師隊伍的學術水平。也可進行教師獎勵機制，開設實驗室專職教師崗位，進行崗前培訓，針對上崗。也可將教學與科研相結合，用虛擬仿真實驗平臺與科研掛鉤，鼓勵更多人群加入到平臺建設中來。

六、結束語

信息技術是現代信息發展的主流，新一代技術的快速發展也促進了教育的發展，隨著虛擬仿真實驗教學平臺的興起，未來教室也逐漸進入到人們的視野，這種融合創新教育、先進的科學技術，注重高度的交互性、開放性、啟發性和自然、靈活、安全、高效的人性化設計，進而為學生的學習、實驗提供良好的環境。總之，信息技術的發展豐富了教學體系的資源，實驗室技術的發展更是給實驗技術帶來了革新。虛擬仿真實驗教學平臺的建設突破了時間、地域、溫度等限制，極大程度的讓學生有充足的實驗條件，教學及實驗重點從教師為主體轉換成學生為主體，其作為理論課程的補充，在實踐教學中有著顯著優勢和良好的應用前景。

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